ANKARA ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ YÜKSEK LĠSANS TEZĠ

76  Download (0)

Full text

(1)

ANKARA ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ

YÜKSEK LĠSANS TEZĠ

LAZER AġINDIRMA PARAMETRELERĠNĠN DEĞĠġĠMĠ ĠLE GÜMÜġ NANO PARÇACIK ÜRETĠMĠNĠN OPTĠK SINIRLAMAYA ETKĠSĠ

Irmak GÜRSOY

FĠZĠK MÜHENDĠSLĠĞĠ ANABĠLĠM DALI

ANKARA 2018

Her hakkı saklıdır

(2)
(3)
(4)

ii ÖZET

Yüksek Lisans Tezi

LAZER AġINDIRMA PARAMETRELERĠNĠN DEĞĠġĠMĠ ĠLE GÜMÜġ NANO PARÇACIK ÜRETĠMĠNĠN OPTĠK SINIRLAMAYA ETKĠSĠ

Irmak GÜRSOY

Ankara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fizik Mühendisliği Anabilim Dalı

DanıĢman: Prof. Dr. H. Gül YAĞLIOĞLU

Bu tez çalıĢmasında, lazer aĢındırma tekniği ile üretilen gümüĢ nano parçacıklarının (AgNP) doğrusal olmayan optik sınırlama özellikleri araĢtırılmıĢtır. GiriĢ akısı, üretim süresi gibi lazer aĢındırma parametrelerinin optik sınırlama özellikleri üzerindeki etkileri belirlenmiĢtir. Açık yarık z-tarama tekniği, üretilen AgNP’lerin optik sınırlama özelliklerini araĢtırmak için kullanılmıĢtır. Malzemenin hazırlanması sırasında Nd:

YAG lazerinin ikinci harmoniği olan 532 nm dalga boylu, 4 ns darbe süreli ve 10 Hz tekrarlama frekansına sahip lazer kaynağı kullanılmıĢtır. Lazer aĢındırma tekniğinde giriĢ akı değerleri 477 J/cm2, 637 J/cm2 ve 796 J/cm2 olarak seçilmiĢtir, aĢındırma süreleri 1 saat ve 1.5 saat olarak belirlenmiĢtir. GiriĢ gücü ve aĢındırma süresinin arttırılmasının, daha iyi optik sınırlama performansının göstergesi olan optik sınırlama akısı eĢik değerinin (Fth) düĢmesine neden olduğu bulunmuĢtur. En iyi optik sınırlayıcı performans 796 J/cm2 giriĢ akısı ve 1.5 saat aĢındırma süresi için (Fth=0.79 J/cm2) elde edilmiĢtir.

May 2018, 63 sayfa

Anahtar Kelimeler: Doğrusal Olmayan Optik, GümüĢ Nano parçacık, Optik Sınırlama

(5)

iii ABSTRACT

Master Thesis

THE EFFECT OF CHANGING LASER ABLATION PARAMETERS ON OPTICAL LIMITING OF SILVER NANOPARTICLES PRODUCTION

Irmak GÜRSOY Ankara University

Graduate School of Natural and Applied Sciences Department of Physics Engineering

Supervisor: Prof. Dr. H. Gül YAĞLIOĞLU

In this thesis, nonlinear optical limiting properties of silver nanoparticles (AgNP) produced by laser ablation technique were investigated. The effects of laser ablation parameters, such as input fluence and production time, on the optical limiting properties were determined. Open aperture z-scan technique was used to investigate the optical limiting properties of produced AgNP. During the preparation of the material, the second harmonic of the Nd: YAG laser with 532 nm wavelength, 4 ns pulse duration and 10 Hz repetition rate was used. In the laser ablation technique, input fluence values were selected as 477 J/cm2, 637 J/cm2 and 796 J/cm2, and ablation time was determined as 1 hour and 1.5 hours. It was found that increasing input power and ablation time caused optical limiting fluence threshold value (Fth) to decrease, which is the indication of better optical limiting performance. The best optical limiting performance was achieved (Fth =0.79 J/cm2) for 796 J/cm2 input fluence and 1.5 hour ablation time.

May 2018, 63 pages

Key Words: Nonlinear Optics, Silver Nanoparticle, Optical Limiting

(6)

iv TEġEKKÜR

Ġlk olarak beni yetiĢtiren, her koĢulda yanımda olup bana destek çıkan aileme, daha sonra çalıĢmalarımda bana yol gösteren ve yardımını esirgemeyen danıĢman hocam Sayın Prof. Dr. H. Gül YAĞLIOĞLU’na (Ankara Üniversitesi Fizik Mühendisliği Anabilim Dalı), Optik Malzemeler AraĢtırma Grubumuzdaki tüm arkadaĢlarıma, tecrübesiyle çalıĢmalarıma destek veren Sayın Betül KÜÇÜKÖZ’e teĢekkürlerimi sunarım.

Irmak GÜRSOY Ankara, Mayıs 2018

(7)

v

ĠÇĠNDEKĠLER

TEZ ONAY SAFASI

ETĠK ... i

ÖZET ... ii

ABSTRACT ... iii

ġEKĠLLER DĠZĠNĠ ... ix

ÇĠZELGE DĠZĠNĠ ... xi

1. GĠRĠġ ... 1

2. KURAMSAL TEMELLER ... 5

2.1 Doğrusal Optik ... 5

2.1.1 Doğrusal soğurma ... 5

2.1.2 Doğrusal saçılma ... 6

2.2 Doğrusal Olmayan Optik ... 8

2.2.1 Doğrusal olmayan soğurma ... 9

2.2.2 Doyurulabilir soğurma ... 9

2.2.3 Doğrusal olmayan saçılma ... 10

2.3 Optik Sınırlama ... 10

2.3.1 Doğrusal olmayan soğurmaya bağlı optik sınırlama ... 12

2.3.2 Doğrusal olmayan saçılmaya bağlı optik sınırlama ... 13

3. MALZEME SEÇĠMĠ VE ÜRETĠMĠ ... 15

3.1 GümüĢ Nano parçacıkların Optik Sınırlama Özellikleri ... 15

3.2 Lazer AĢındırma Tekniği ile GümüĢ Nano parçacık Üretimi ... 19

3.2.1 Gauss profiline sahip ıĢın demeti ... 22

3.2.2 Demet geniĢliği ve knife-edge (bıçak kenarı) ölçümü ... 24

4. DENEYLER ve KULLANILAN EKĠPMANLAR ... 28

4.1 Deneylerde Kullanılan Ekipmanlar... 28

4.1.1 UV-VIS spektrometresi ... 28

4.1.2 Lazer kaynağı ... 29

4.1.3 Motorlu kızak ... 29

4.1.4 Algılayıcılar ... 30

4.1.5 Boxcar ... 31

4.1.6 Osiloskop ... 31

4.1.7 Optik bileĢenler ... 32

(8)

vi

4.2 Deneyler ... 34

4.2.1 Lazer aĢındırma yöntemi ile nano parçacık üretimi ... 34

4.2.2 Demet yarıçapının ve demet akısının ölçülmesi ... 35

4.2.3 Üretilen nano parçacıkların boyut analizleri ... 36

4.2.4 Z-tarama düzeneği ... 41

4.2.5 Açık yarık z-tarama düzeneği ... 42

5. BULGULAR ... 46

6. TARTIġMA VE SONUÇ ... 55

6.1 Soğurma Spektrumlarının Değerlendirilmesi ... 55

6.2 Akı DeğiĢimine Bağlı Olarak Maksimum Optik Soğurma Dalga Boyunun Değerlendirilmesi ... 56

6.3 Lazer AĢındırma Süresine Bağlı Olarak Optik Sınırlama Özelliğinin Değerlendirilmesi ... 57

KAYNAKLAR ... 60

ÖZGEÇMĠġ ... 63

(9)

vii

SĠMGELER DĠZĠNĠ

(1) Birinci dereceden doğrusal olmayan alınganlık

(2) Ġkinci dereceden doğrusal olmayan alınganlık

(3) Üçüncü dereceden doğrusal olmayan alınganlık

χ Elektriksel alınganlık

ε0 BoĢ uzayın geçirgenliği

 Doğrusal soğurma katsayısı (Linear absorption coefficient)

0 Doğrusal alınganlık

Kırılma indisi

0 ġiddetten bağımsız doğrusal kırılma indisi

2 ġiddete bağlı doğrusal kırılma indisi

β Doğrusal olmayan soğurma katsayısı

Dalga boyu

x doğrultusundaki 1/e2 yarıçap değeri y doğrultusundaki 1/e2 yarıçap değeri Gausyen dalganın en küçük spot yarıçapı

KarmaĢık yarıçap

µm Mikrometre

Ag GümüĢ

AgNP GümüĢ nano parçacık (Silver nanoparticle) Ag2S GümüĢ sülfat (Silver sulfate)

Ag2O GümüĢ oksit (Silver oxide) ArF Argon florür (Argon fluoride)

C Karbon

CdS Kadmiyum sülfat (Cadmium Sulfate)

CO2 Karbondioksit

d IĢığın geçtiği ortam kalınlığı

DMSO Dimetil Sülfoksit

Optik dalganın elektrik alanı

Fth Optik sınırlama akısı eĢik değeri (optical limiting fulence threshold)

(10)

viii

Geçen ıĢığın Ģiddeti

Gelen ıĢığın Ģiddeti Doyuma ulaĢma Ģiddeti

MHz Megahertz

mL Mililitre

mM Milimolar

mJ Milijul

mm Milimetre

Nd:YAG Neodium Doped Yttrium Aluminum Garnet

ns Nano saniye

nm Nanometre

Elektrik Kutuplanma Vektörü

( ) Dalga cephesinin eğrilik yarıçapı

THF Tetrahidrofuran

U Dalganın elektrik alan genliği

W Watt

XeCl Ksenon Klorid (xenon chloride)

IĢın demetinin en küçük çapa sahip olduğu mesafe Kısaltmalar

AFM Atomik kuvvet mikroskobu (Atomic force microscope) CBS Karbon siyahı süspansiyon (Carbon black suspension) CW Sürekli dalga (Continuous wave)

HRTEM Yüksek çözünürlüklü geçirimli elektron mikroskobu

Hz Hertz

ND Neutral Density

SEM Taramalı elektron mikroskobu (Scanning Electron Microscope) SPR Yüzey plazmon rezonans (Surface Plasmon Resonance)

THF Tetrahydrofuran

TEM Geçirimli elektron mikroskobu (Transmissive electron microscope) UV-VIS Ultraviyole ve görünür

XRD X-ıĢınları difraksiyonu (X-ray diffaction)

(11)

ix

ġEKĠLLER DĠZĠNĠ

ġekil 2.1 Lambert-Beer yasası ... 5

ġekil 2.2 Rayleigh (sol) ve Mie (sağ) saçılması ... 7

ġekil 2.3 Elastik ve elastik olmayan saçılma ... 7

ġekil 2.4 Kutuplanma ve elektrik alan arasındaki iliĢki ... 9

ġekil 2.5 Optik sınırlama özelliği gösteren malzeme... 11

ġekil 3.1 Metal nano parçacıkların yüzey plazmonlarını gösteren Ģematik gösterimi (Çağlayan 2014) ... 15

ġekil 3.2 IĢığın madde içerisindeki doğrusal soğurması (http://www.sigmaaldrich.com 2018a) ... 16

ġekil 3.3 Tuzlu su ilavesi ile kararsızlaĢtırılan gümüĢ nano parçacık çözeltisinin optik tepkisi (http://www.sigmaaldrich.com 2018a) ... 17

ġekil 3.4 Lazer aĢındırma denemelerine ait Ģematik gösterim (http.//www.understanding nano.com 2007) ... 20

ġekil 3.5 Lazer aĢındırma süreci ... 21

ġekil 3.6 Lazer-malzeme etkileĢimi ... 21

ġekil 3.7 IĢının noktasından sonraki hiperbolik dağılımı (https://commons. wikimedia.org 2009a) ... 23

ġekil 3.8 Gauss profiline sahip dalganın normalize yarıçap-bağıl Ģiddet grafiği ... 24

ġekil 3.9 Knife-edge ölçüm tekniği ... 25

ġekil 4.1 UV-VIS soğurma spektrometresi ... 28

ġekil 4.2 Lazer kaynağı ... 29

ġekil 4.3 Motorlu kızak ... 30

ġekil 4.4 Silikon dedektör ... 30

ġekil 4.5 DET36A dedektörünün dalga boyuna bağlı tepkisellik grafiği ... 31

ġekil 4.6 Boxcar ... 31

ġekil 4.7 Osiloskop ile gözlenen lazer ıĢını ve oluĢturulan kare kapı sinyali ... 32

ġekil 4.8 Soğurucu ND filtreler ... 33

ġekil 4.9 Lazer aĢındırma tekniği test düzeneği... 34

ġekil 4.10 Bıçak kenarı test düzeneği ... 36

ġekil 4.11 TEM cihazı... 37

ġekil 4.12 SEM cihazı ... 38

ġekil 4.13 Bir saat 477 J/cm2 akı değeri için alınan TEM görüntüsü (AgNP boyutu: 40 nm) ... 39

(12)

x

ġekil 4.14 Bir saat 637 J/cm2 akı değeri için alınan TEM görüntüsü

(AgNP boyutu: 30 nm) ... 39

ġekil 4.15 Bir saat 796 J/cm2 akı değeri için alınan TEM görüntüsü (AgNP boyutu: 25 nm) ... 40

ġekil 4.16 Bir buçuk saat 477 J/cm2 için alınan TEM görüntüsü (AgNP boyutu: 22 nm) ... 40

ġekil 4.17 Bir buçuk saat 637 J/cm2 için alınan TEM görüntüsü (AgNP boyutu: 20 nm) ... 41

ġekil 4.18 Bir buçuk saat 796 J/cm2 akı değeri için alınan TEM görüntüsü (AgNP boyutu: 15 nm) ... 41

ġekil 4.19 Açık yarık z-tarama düzeneği ... 42

ġekil 4.20 Z-tarama deney düzeneğinin kurulumu ... 43

ġekil 4.21 Doğrusal olmayan soğurma etkisi ... 44

ġekil 4.22 Doyurulabilir soğurma etkisi ... 44

ġekil 4.23 Normalize geçirgenlik giriĢ enerji akısı grafiği ... 45

ġekil 5.1 Lazer aĢındırma tekniğiyle AgNP üretimi ... 46

ġekil 5.2 GümüĢ nano parçacıkların süre ve güce bağlı soğurma değerleri (1.5 mL su) ... 47

ġekil 5.3 Piko saniye lazeri kullanılarak üretilen nano parçacıkların dalga boyuna bağlı soğurma grafiği (1.7 mJ, 532 nm, 2 mL su) ... 47

ġekil 5.4 Femto saniye lazeri kullanılarak üretilen nano parçacıkların dalga boyuna bağlı soğurma grafiği (2.5 mJ, 532 nm, 2 mL su) ... 48

ġekil 5.5 955 J/cm2 akı değerinde yapılan yanmıĢ AgNP görüntüsü ... 49

ġekil 5.6 Dalga boyu soğurma grafiği... 50

ġekil 5.7 Aynı akı (477 J/cm2) değeri ve farklı süreler için mesafeye bağlı normalize geçirgenlik grafiği... 52

ġekil 5.8 Aynı akı (637 J/cm2) değeri ve farklı süreler için mesafeye bağlı normalize geçirgenlik grafiği... 52

ġekil 5.9 Aynı akı (796 J/cm2) ve farklı süreler için mesafeye bağlı normalize geçirgenlik grafiği... 53

ġekil 5.10 Açık yarık z-tarama grafiği (z’ye bağlı normalize geçirgenlik) ... 53

ġekil 5.11 Akıya bağlı normalize geçirgenlik grafiği ... 54

ġekil 6.1 Akıya bağlı geçirgenlik grafiği ... 58

(13)

xi

ÇĠZELGE DĠZĠNĠ

Çizelge 4.1 532 nm Nd:YAG lazer aynasının özellikleri ... 33

Çizelge 4.2 Farklı akı ve süreye bağlı olarak nano parçacık boyut analizi ... 38

Çizelge 5.1 Lazer aĢındırma tekniği ve z-tarama tekniğindeki odak çapı değerleri ... 49

Çizelge 5.2 Lazer aĢındırma süresi ve akıya bağlı olarak soğurma değerleri ... 50

Çizelge 5.3 Parçacık boyutuna bağlı dalga boyu aralığının belirlenmesi ... 51

Çizelge 6.1 Farklı akı ve süreler için soğurmaya bağlı dalga boyu iliĢkisi... 56

Çizelge 6.2 Süreye bağlı soğurma değerleri ... 57

(14)

1 1. GİRİŞ

Optik, ışığın temel özelliklerini ve ışığın maddeler ile etkileşimini inceleyen bir bilim dalıdır. Optiğin, optik anahtarlama, optik algılayıcılar, optik sınırlama vb. birçok uygulama alanı vardır. Bu uygulamalardan bazıları doğrusal olmayan optik prensibine dayalı olarak çalışır. Doğrusal olmayan optik, lazer ışığı gibi şiddetli bir ışık kaynağının kullanımı ile maddelerin optik özelliklerinin değiştirilmesi ve bu sayede meydana gelen olayların incelenmesidir. Doğrusal olmayan optikte şiddete bağlı soğurma, kırılma, saçılma vb. optik olaylar incelenebilir. Malzemelerin doğrusal olmayan soğurma ve kırılma tepkileri açık yarık z-tarama yöntemi ile araştırılabilmektedir (Yin vd. 2000).

Karşı tedbir amaçlı kullanılan lazerler ya da görüntüleyici sistemlerin karanlıkta görmesini sağlamak için kullanılan ışık kaynakları, algılayıcı sistemlerin doyuma ulaşmasına ya da zarar görmesine neden olmaktadır. Bu sistemleri yüksek enerjiden korumanın yolları vardır. Bunlar, belirli dalga boyunu soğuran/geçiren filtreler, enerjinin bir kesrini soğuran filtreler ve kapaklardır. Belirli bir dalga boyunu geçiren ya da soğuran filtreler karşı taraftan gelen tehditin dalga boyunun bilinmesi durumunda kullanılabileceğinden tercih edilmemektedir. Soğurucu filtreler, sistemin içerisine giren ışığın gücünün filtrelenmesi için kullanılır. Sistem için tehdit oluşturan kaynak ile birlikte sisteme giren ve görüntü oluşumunu sağlayan tüm ışığın şiddetini azalttığından kullanımı tercih edilmemektedir. Bu nedenle en etkili yol gelen ışığın şiddetine bağlı olarak doğrusal olmayan soğurma veya saçılma özelliği gösteren optik sınırlayıcı filtrelerin kullanılmasıdır (Miller vd. 1999).

Bu tez çalışmasının amacı laboratuvar imkanlarını kullanarak farklı boyutlarda nano parçacık üretimi ve üretilen nano parçacıkların optik sınırlama özelliklerinin incelenmesidir. Literatürde optik sınırlayıcı özellik gösteren çeşitli malzemeler mevcuttur. Örneğin organik malzemeler hızlı tepki veren optik sınırlama özellikleri ile bilinirler (He vd. 1995, Wang vd. 2010). Ancak yüksek akı değerlerinde zarar gördüğünden kullanımı tercih edilmemektedir. Optik sınırlayıcı özellik gösteren diğer malzemeler, nano-parçacıklar (platinyum, germanyum, alüminyum, altın, gümüş gibi), yapısında karbon olan malzemeler, fullerenler ve karbon nanotüplerdir. Fullerenler ve

(15)

2

karbon nanotüpler yüksek akı değerlerine dayanabilmektedirler ancak maliyetleri fazladır. Bu nedenle maliyeti etkin bulunan nano parçacık (Ag) kullanımı tercih edilmiştir.

Gao vd. (2007), ürettikleri altın nano parçacıkların boyutuna bağlı olarak optik sınırlama etkisini araştırmışlardır. Bunun için yapılan deneyde 532 nm darbeli nano saniye lazeri kullanılmıştır. Yaptıkları araştırmalar optik sınırlama özelliğinin parçacık büyüklüğüne bağlı olduğunu ancak tekdüze artmadığı göstermiştir. Deneyler 15 nm, 25 nm, 50 nm ve 70 nm değerleri için yapılmış ve altın nano parçacıklar için optik sınırlama özelliğinin 25 nm’de en fazla olduğu görülmüştür.

Qu vd. (2002), platinyum nano parçacık üretimi için solüsyon olarak metanol kullanmış ve üretilen solüsyonun optik sınırlama özelliğine bakmışlardır. Deneylerde 532 nm darbeli nano saniye lazeri kullanılmıştır. Deneysel sonuçlar platinyum plakası kullanılarak metanol içerisinde üretilen nano parçacıkların optik sınırlama özelliğinin yüksek olduğunu ortaya koymuştur. Sonuçlar hem teorik hem de deneysel olarak değerlendirilmiştir.

Chen vd. (2007), karbon nano parçacıkları lazer aşındırma yöntemiyle üreterek optik sınırlama özelliklerini incelemişlerdir. Üretilen nano parçacıkların analizi Raman spektroskopisi, UV-VIS spekroskopisi ve elektron mikroskopuyla yapılmıştır.

Deneylerde 532 nm dalga boylu ve 7 ns darbe genişliğine sahip Nd:YAG lazer kaynağı kullanılmıştır. Amaç, nano parçacık büyüklüğü ve lazerin tekrarlama frekansının optik sınırlama üzerindeki etkisini incelemektir. Deney sonucunda solüsyon olarak tetrahidrofuran (THF) kullanılması durumunda üretilen nano parçacık boyutunun suya oranla daha küçük olduğu gözlemlenmiştir.

Aleali vd. (2011), dimetil sülfoksit (DMSO) solüsyonunda, gümüş sülfat nano parçacıklarının üretimiyle ilgili olarak çalışma yapmışlardır. Deneylerde 532 nm dalga boylu nano saniye darbeli lazer kullanılmıştır. Dedektör önüne konulan yarık çapına bağlı olarak optik sınırlama performansları incelenmiştir. Üretilen nano parçacıklara TEM ölçüm cihazıyla bakılmış ve boyutlarının 3 nm civarında olduğu gözlemlenmiştir.

(16)

3

UV-VIS spektroskopi sonuçlarına göre, hazırlanan solüsyonün 2 hafta boyunca kararlı bir şekilde kalabildiği gözlemlenmiştir. Optik sınırlamaya katkısı olan mekanizmalar, doğrusal olmayan soğurma, saçılma ve kırılmadır. Açık yarık z-tarama düzeneğinde malzemenin iki foton soğurma katsayısı belirlenirken, kapalı yarık z-tarama düzeneğinde kırılma indisinin pozitif olduğu görülmüştür.

Jia vd. (2005), 532 nm dalga boylu nano saniye darbeli lazer kullanarak Cd(x)Ag(1-x)S yarıiletken nano parçacıklarını üretmişlerdir. Optik sınırlama performansının artmasında doğrusal olmayan soğurma ve saçılma mekanizmalarının etkili olduğunu belirtmişlerdir.

Üretilen CdS nano parçacıklarının boyutları 2-9 nm çapında olup, parçacık boyutu arttıkça optik sınırlama özellikleri de artış göstermiştir. CdS yüzeyine Ag2S ince filminin kaplanmasıyla bu performansın arttırılabileceği gözlemlenmiştir.

Eslamifar vd. (2012), 532 nm dalga boylu, 18 ns darbe süreli lazer kaynağı kullanarak nano parçacık üretmişlerdir ve ürettikleri nano parçacıkların termo-optik özelliklerini CW lazer kaynağı kullanarak incelemişlerdir. Deneylerde solüsyon olarak saf su kullanılmıştır. Üretilen solüsyonun analizi soğurma spektrumu ve TEM yardımıyla yapılmıştır. Malzemenin doğrusal olmayan optik özellikleri düşük güçlü CW lazer kaynağı kullanılarak kapalı yarık z-tarama tekniğiyle incelenmiş, doğrusal olmayan kırılma indisi ve termo-optik katsayılar hesaplanmıştır. Üretilen altın nano parçacıkların şekline bağlı olarak sınırlama özelliği değiştirilebilmiştir. Metal nano parçacıkların fotonik uygulamaların geliştirilmesinde önemli rol oynayabileceği sonucu çıkartılmıştır.

Tyurnina vd. (2013), lazer aşındırma tekniğiyle gümüş nano parçacıkların üretilebilmesi için üretim parametrelerini değiştirmişlerdir. Bu parametreler akı, gümüş plaka üzerindeki su seviyesi, lazer aşındırma süresi ve gümüş plakanın yüzey pürüzlülüğüdür.

Yapılan çalışmada bu parametre değişimlerinin soğurma ve dalga boyuna etkisi araştırılmıştır. Aşındırma süresi arttıkça ve akı azaldıkça nano parçacık büyüklüğü küçülmekte, gümüş plaka üzerindeki su seviyesi azaldıkça nano parçacık sayısı artmaktadır. Gümüş nano parçacık üzerindeki yüzey pürüzlülüğü de yansımayı ve yüzeyden koparılacak nano parçacık sayısını etkileyeceğinden üretim öncesinde yüzeyin

(17)

4

parlatılması gerektiği belirtilmiştir. Ancak, bu çalışmada üretilen nano parçacıkların optik sınırlama özellikleri incelenmemiştir.

Yukarıda özetlenen ve literatürde mevcut olan çalışmalarda farklı nano malzemeler için üretim yöntemine bağlı olarak doğrusal soğurma özellikleri araştırılmıştır. Ancak gümüş nano parçacıkların lazer aşındırma yöntemi üretim parametrelerinin optik sınırlama üzerindeki etkisi ile ilgili çok az çalışma yapılmıştır. Bu tez çalışmasının amacı, gümüş nano parçacıklarının lazer aşındırma tekniği ile üretim parametreleri ve optik sınırlama performansı arasındaki bağlantıyı kurabilmektir.

(18)

5 2. KURAMSAL TEMELLER

2.1 Doğrusal Optik

Doğrusal optik düşük şiddet bölgelerinde ışığın madde ile etkileşmesini inceleyen bilimdir. Yansıma, kırılma ve soğurma gibi özellikler şiddetten bağımsızdır. Doğrusal optikte elektrik kutuplanma vektörü ( ), uygulanan optik dalganın elektrik alanı ( ) ile doğrusal olarak değişmektedir. Kutuplanma vektörü,

bağıntısı ile ifade edilir ve , ile doğrusal olarak değişmektedir. Burada ortamın birinci dereceden elektriksel alınganlığı ve 0boş uzayın geçirgenliğidir.

2.1.1 Doğrusal soğurma

Kalınlığı d olan saydam bir ortam üzerine enerjisi, herhangi bir uyarılmış seviye ile taban seviyesi arasındaki enerji farkı kadar bir ışık demeti gönderildiğinde, malzeme ışık demetinden enerji alarak uyarılmış duruma geçer. Buna doğrusal soğurma denir.

Geçen ışığın şiddetinin ( ), gelen ışığın şiddetine ( ) bağlılığı Lambert-Beer yasası ile verilir (Şekil 2.1).

Şekil 2.1 Lambert-Beer yasası

(19)

6 Lambert-Beer yasası:

ifadesiyle gösterilir. Burada, ışığın geçtiği ortamın kalınlığı, α ise doğrusal soğurma katsayısıdır.

2.1.2 Doğrusal saçılma

Işık boşlukta giderken aynı c hızıyla yayılmasına karşılık, maddeden geçerken hızı dalga boyuna bağlı olarak değişir. Kırılma indisi, dalga boyunun bir fonksiyonudur.

Böyle ortamlarda ışık saçılma olayını gösterir. Örneğin beyaz ışık, birden fazla dalga boyundaki ışığın birleşiminden meydana gelmiştir. Beyaz ışık prizmadan geçerken ışığın saçılması kırılma indisine bağlı olarak değişir, kırılma indisi de dalga boyuyla bağlantılı olduğundan kırmızı ışık (λ=640nm) en az saçılırken, mor ışık (λ=450 nm ) en fazla saçılmaya uğrayacaktır.

Ortamdaki taneciklerin büyüklüğüne bağlı olarak, saçılan ışığın şiddeti değişir.

Tanecikler kolloidal büyüklükteyse bu saçılma çok fazla olup durum gözle görülebilir hale gelir.

Işının dalga boyundan daha küçük dalga boylu taneciklerin neden olduğu saçılmaya

“Rayleigh Saçılması” denir. Şiddeti, tanecik büyüklüğüne, polarize olabilmesine ve ışının dalga boyunun dördüncü kuvvetinin tersine bağlıdır. Bu nedenle kısa dalga boyları uzun dalga boylarına göre daha fazla saçılma eğilimine sahiptirler. Saçılan fotonların enerjisinde değişim olmadığından dolayı saçılma türü elastiktir. Gelen fotonun enerjisi atomu bir üst seviyeye çıkartmak için yetmemektedir (Miles vd. 2001).

Altın, gümüş vb metal nano parçacıkların ışıkla olan etkileşimini açıklamak için Gustav Mie’nin kollodial altın parçacıkların renkleriyle ilgili yayınladığı çalışmanın önemi vardır (Horvath 2009). Mie yaptığı bu çalışmada küçük ve küre biçimindeki parçacıkların saçılımını hesaplamak için Maxwell’in elektromanyetik teorisini

(20)

7

kullanmıştır. İlk ölçüm sonuçlarında nano parçacık boyutuna bağlı olarak hazırlanan solüsyonun renginin değiştiğini görmüştür. Bu duruma sonraki aşamalarda yüzey plazmon rezonans adı verilmiştir. Homojen ve izotropik küreler tarafından gerçekleştirilen saçılım Mie’nin teorisi olarak adlandırılsa da ondan önce Alfred Clebsch, Ludvig Lorenz ve Peter Debye’de bu konu üzerinde çalışmalar yapmıştır (Miles vd. 2001). Bu nedenle bu teori Lorenz-Mie teorisi, Lorenz-Mie-Debye teorsisi olarak da bilinmektedir.

Şekil 2.2 Rayleigh (sol) ve Mie (sağ) saçılması

Raman saçılmasında ise saçılan ışının frekansında değişiklik olabilmektedir. Bu durum enerji seviyesi değişiminden kaynaklanmaktadır. Çünkü gelen foton atomun uyarılması için yeterli enerjiye sahiptir. Bu nedenle de Raman saçılması da elastik olmayan saçılmaya örnek olarak verilebilmektedir. Şekil 2.3’de elastik ve elastik olmayan saçılmaya bağlı olarak seviyeler arasındaki enerji geçişleri gösterilmektedir.

Şekil 2.3 Elastik ve elastik olmayan saçılma

(21)

8 2.2 Doğrusal Olmayan Optik

Doğrusal olmayan optik yüksek şiddetli lazer ışınlarının malzeme ile etkileşmesini inceleyen bir bilim dalıdır. Doğrusal optikte (düşük şiddetlerde) malzemelerin kırılma, yansıma ve soğurma gibi optik özellikleri şiddete bağlı değilken, doğrusal olmayan optikte (yüksek şiddetlerde) bu özellikler şiddete bağlıdır.

Doğrusal olmayan optik maddenin olmadığı (boş uzayda) ortamda gözlenmez. Bir maddeye elektrik alanı E olan bir ışın geldiğinde, ışının madde üzerinde oluşturduğu kutuplanma vektörü aşağıdaki ifade ile verilir:

ifadesiyle gösterilir. Bu ifadede birinci dereceden doğrusal olmayan alınganlık ve ikinci ve ise üçüncü dereceden doğrusal olmayan alınganlıktır.

Doğrusal olmayan optikte malzemenin kırılma indisi sabit değil, gelen ışının şiddetine aşağıdaki ifade ile bağlıdır.

= 0+ 2(I).

Burada 0 şiddetten bağımsız doğrusal kırılma indisi ve 2(I) şiddete bağlı doğrusal olmayan kırılma indisidir.

Şekil 2.4 elektrik alana bağlı olarak değişen kutuplanma vektörü grafiğini göstermektedir. Normal ışık şiddetlerinde ve alınganlık değerleri ihmal edilirken, Şekil 2.4’de gösterilen doğrusal bölge geçerli olmaktadır. Ancak yüksek şiddete sahip ışık kaynaklarının olması durumunda normal şiddette ihmal edilen alınganlık katsayıları da dahil edilir ve şekil 2.4’de görüldüğü gibi doğrusal olmayan bölgeler gözlemlenir.

(22)

9

Şekil 2.4 Kutuplanma ve elektrik alan arasındaki ilişki

2.2.1 Doğrusal olmayan soğurma

Malzeme üzerine yüksek şiddetli bir ışık gönderildiğinde malzemede değişiklikler meydana gelmektedir. Bunun için yüksek şiddette lazerler kullanılmaktadır. Yüksek şiddetli lazer ışını malzemede soğurmaya neden olabilmektedir. Malzeme taban durumuna inmeden art arda gelen ardışık fotonlarla malzemede birden fazla foton soğurması meydana gelebilir. Bu olaya iki foton soğurması (TPA) adı verilir.

İki foton soğurması olduğu durumda malzeme üzerinde ilerleyen ışığın şiddetinin aldığı z yolu ile değişimi :

ifadesi ile gösterilir. Burada doğrusal soğurma katsayısını belirtirken, ise şiddete bağlı doğrusal olmayan soğurma katsayısını belirtmektedir.

2.2.2 Doyurulabilir soğurma

Bazı malzemeler, şiddetin artması durumuna bağlı olarak soğurma katsayısının azalması, geçirgenliğin artması özelliğine sahiptirler. Bu malzemelere doyurulabilir

(23)

10

soğurucu adı verilir. Bu malzemelerde, şiddetli lazer ışığına maruz bırakılan malzemenin ölçülen soğurma katsayısının (α) gelen lazer ışığının şiddetine ( bağlılığı:

ifadesiyle gösterilir. Burada doğrusal alınganlığı, ise malzemenin doyuma ulaşma şiddetidir.

2.2.3 Doğrusal olmayan saçılma

Özellikle nano saniye darbeli lazerler kullanıldığında, malzeme lazer ışınını soğurur ve malzeme sıcaklığında hızlı bir artış gözlemlenir. Teorik analizler, malzemenin doğrusal olmayan davranışlar sergilediğini ortaya koyar. Soğurulan lazer enerjisi termal etkilerden kaynaklı kırılma indisi değişimine neden olarak saçılma etkisi yaratır (Aleali ve Masour 2010).

2.3 Optik Sınırlama

Yüksek güçlü lazerlerin çeşitli uygulamalarda kullanımının artması ile birlikte doğrusal olmayan malzemelere olan ilgi de artmıştır. Özellikle, bu malzemelerin pasif optik sınırlayıcı olarak insan gözünü ve algılayıcıları korumada kullanımları yani optik sınırlama özellikleri oldukça önemli hale gelmiştir. Geçmiş yıllarda yapılan çalışmalarda organik boyaların optik sınırlama özellikleri oldukça fazla çalışılmıştır (Dagani 1996, Sun ve Riggs 2010). Ancak, organik boyaların optik sınırlamaya olan tepkisi hızlı olmasına rağmen, yüksek enerjilerdeki ve ısıl etkilere maruz kaldıklarındaki dayanıklılıkları oldukça azdır. Bu nedenle ısı etkisi oluşturma potansiyeline sahip, özellikle CW veya büyük darbe süresine sahip (ns) lazerlerin optik sınırlanması için organik malzemeler uygun değildir. Bu malzemelerin yüksek akı değerlerinde zarar görmesi, sistem performansını olumsuz yönde etkileyecektir.

(24)

11

İdeal optik sınırlayıcı malzemeler, düşük güçte doğrusal davranış gösterirken, yüksek güçte gelen ışığın şiddeti ile artan saçılma veya soğurma göstererek algılayıcıya gelen ışığı blokloyan veya sınırlayan bir mekanizmaya sahip olmalıdırlar. Şekil 2.5’de de görüldüğü gibi optik sınırlama özelliği gösteren malzeme düşük şiddetlerde geçirgen özellik gösterirken, yüksek şiddetlerde ışığı sınırlayarak, çıkan ışık şiddetinin azaltılmasını sağlamaktadır.

Şekil 2.5 Optik sınırlama özelliği gösteren malzeme

Bir malzemenin optik sınırlama özelliğine sahip olabilmesi için,

 Yüksek doğrusal geçirgenliğe,

 Düşük sınırlayıcı eşik değerine,

 Hızlı tepki süresine,

 Geniş bir spektrumda çalışabilme kabiliyetine,

 Hasar eşik değerinin yüksek olmasına

gerek duyulmaktadır. Optik sınırlama, yüksek şiddetli ışığın varlığında mümkün olabilmektedir. Doğrusal olmayan optik olaylar da şiddete bağlıdır. Dolayısıyla, RSA, TPA, doğrusal olmayan kırılma ve saçılma olayları optik sınırlamaya neden olan temel mekanizmalar olarak kullanılabilirler. Bunlar haricinde termal etkiden dolayı oluşan kırılma indisi değişimi de optik sınırlamaya katkı sağlayabilir (Kürüm 2008).

(25)

12

2.3.1 Doğrusal olmayan soğurmaya bağlı optik sınırlama

Rashidian vd. (2015), optik sınırlamaya etki eden önemli mekanizmalardan birinin doğrusal olmayan soğurma olduğunu deneysel olarak açığa çıkartmışlardır. Malzeme yüzeyindeki serbest elektronların belli dalga boyundaki ışık tarafından uyarılması sonucunda salınıma uğraması SPR olarak tanımlanmaktadır. Çalışmada nanometallerin büyüklük, şekil, malzeme ve konsantrasyonuna bağlı olarak yüzey plazmon rezonansına (SPR) etkisi araştırılmıştır. Deneyler altın ve gümüş nano parçacıklar üzerinde yapılmış, lazer gücü, diyafram açıklığı, konsantrasyon ve büyüklüğe bağlı olarak optik sınırlama üzerindeki etkileri çalışılmıştır.

Doğrusal olmayan soğurma etkisi araştırılırken, diyafram açıklığı ya da pinhole kullanmaya gerek yoktur. Bu mekanizmalarda giren ışık şiddeti arttıkça, doğrusal olmayan soğurmaya bağlı geçirgenlik azalmaktadır. Bunu etkileyen iki temel mekanizma vardır. Bunlar RSA ve TPA’dır. TPA mekanizmasının kullanılması, doğrusal soğurma kaybının ihmal edilebilecek seviyede az olması, hızlı tepki ve iletilen sinyalin yüksek ışın kalitesi gibi sebeplerden dolayı tercih edilmektedir. TPA mekanizması yalnızca optik sınırlama için değil, optik güç dengelemesi, optik atım şekillendirme vb uygulamalar için de kullanılmaktadır.

Doğrusal olmayan saçılmaya bağlı optik sınırlama özellikleri çalışılırken diyafram açıklığı (yarık) kullanılmaktadır. Yapılan çalışmada optik sınırlama etkisine bakabilmek için 4 farklı yarık tipi kullanılmıştır. Bunlar 0.25 mm, 0.4 mm, 1.5 mm ve 2 mm’dir.

Yarıklar dedektörün önüne konulmuş ve monitorden geçen enerjiler gözlemlenmiştir.

Sonuç olarak diyafram büyüklüğü küçüldükçe, geçen enerjinin azaldığı gözlemlenmiştir. Altın ve gümüş nano parçacık konsantrasyonu arttıkça, optik sınırlama eşiği azalmaktadır. Yüksek nano parçacık konsantrasyonunda metal nano parçacıklardan doğrusal olmayan saçılma etkisi artmakta ve optik sınırlamaya katkı sağlamaktadır. Nano parçacık büyüklüğünün artması, SPR etkisinin artmasına neden olmuştur (Rashidian vd. 2015).

(26)

13

Sürekli dalga ve nano saniye darbeli yüksek güçlü lazerler, malzemeler üzerinde ısı artışına sebep olurlar. Malzemenin ısınması ve buna bağlı olarak zarar görmesi istenmediğiden bu tür lazerler kullanıldığında soğurmaya bağlı optik sınırlama yönteminin kullanılması uygun değildir. Bu nedenle saçılmaya bağlı optik sınırlama yönteminin kullanılması tercih edilmektedir.

2.3.2 Doğrusal olmayan saçılmaya bağlı optik sınırlama

Doğrusal olmayan etkiler yüksek şiddetli ışığın varlığında ortaya çıkmaktadır. Aleali vd.

(2010), gümüş nano parçacıkların optik sınırlama üzerindeki etkisini araştırmışlardır.

Kullanılan lazerin darbe genişliği 15 ns’dir. Nano parçacık üretimi için lazer aşındırma tekniği kullanılmıştır. Üretim sırasında malzeme üzerine odaklanan ışın demetinin çapı 140 µm’dir. Dedektörden önce konulan yarığın değişiminin optik sınırlama üzerine etkileri incelenmiştir. Üretilen naoparçacıkların ortalama büyüklükleri 9 nm civarındadır. Z-tarama deneyleri 532 nm dalgaboylu nano saniye lazeriyle yapılmış ve termal etkilerin önlenebilmesi için tekrarlama frekansı 1 Hz olarak seçilmiştir. Yarık boyutunun farklılığına bağlı olarak dedektörde okunan güç değerleri farklılık göstermektedir. Çünkü, artan güçle birlikte doğrusal olmayan saçılma etkisi meydana gelmekte ve yarıktan geçen ışın demeti miktarı azalmaktadır. Yapılan deneyler sonucunda doğrusal olmayan soğurma etkisine bağlı olarak malzemede doğrusal olmayan saçılma etkisinin meydana geldiği ve optik sınırlama özelliğini arttırdığı görülmüştür.

Gao vd. (2003), yaptığı çalışmada, C60 türevini içeren gümüş nano parçacıkların optik sınırlama özelliğiyle ilgili olarak çalışmalar yapmıştır. Kullanılan lazerin darbe genişliği 8 ns, dalga boyu ise 532 nm’dir. Solüsyon olarak kloroform kullanılmıştır. Yapılan deneylerin temeli doğrusal olmayan soğurma özelliğine bağlıdır. Nano parçacık konsantrasyonu arttıkça, nano parçacıklar yüksek şiddette saçılma etkisi göstermiş ve optik sınırlama etkisi artmıştır.

Bu tez çalışmasının amacı, CW ve ns darbeli lazerler için optik sınırlama özelliği gösteren bir malzeme seçerek, optik sınırlama özelliklerini araştırmaktır. Optik

(27)

14

sınırlama işlemi sırasında malzemenin ısınarak zarar görmemesi için, saçılmaya bağlı optik sınırlama mekanizması temel mekanizma olarak kullanılacaktır. Literatürde yapılan ve yukarıda özetlenen çalışmalar göz önüne alındığında, maliyet etkinliği ve yüksek optik sınırlama performansı nedeniyle bu tez çalışmasında gümüş nano parçacıklar tercih edilmiştir. Gümüş nano parçacıkları laboratuvarımızda üretebilmek için de lazer aşındırma yöntemi seçilmiştir. Gümüş nano parçacıkların üretimi ve optik sınırlama özellikleri bir sonraki bölümde açıklanmıştır.

(28)

15 3. MALZEME SEÇİMİ VE ÜRETİMİ

3.1 Gümüş Nano parçacıkların Optik Sınırlama Özellikleri

Gümüş nano parçacıklar (AgNP) benzersiz fiziksel, kimyasal, elektriksel ve termal özelliklerinden dolayı optik, elektronik vb pek çok alanda kullanılmaktadır.

Gümüş nano parçacıklar, ışığı soğurma ve saçmada oldukça etkilidirler. Parçacıkların şekline ve boyutuna bağlı olarak farklı renk alırlar. Gümüş nano parçacıkların ışıkla olan etkileşimi, metal yüzeyi üzerindeki iletken elektronların belli dalga boyunda ışık tarafından uyarılarak kolektif bir salınıma uğramaları sonucunda oluşur. Bu durum yüzey plazmon rezonansı (SPR) olarak bilinir. SPR, bir parçacığın sahip olduğu elektronlarının, parçacığa gelen ışığın uyarması ile kollektif şekilde salınımıyla mümkün olur. Metallerin yüzeyindeki serbest elektron bulutu, elektron plazması olarak adlandırılmakta ve şekil 3.1’de görüldüğü şekilde gerçekleşen salınımlar ise plazmon olarak adlandırılmaktadır.

Şekil 3.1 Metal nano parçacıkların yüzey plazmonlarını gösteren şematik gösterimi (Çağlayan 2014)

Yüzey plazmonlarının salınımı nano parçacıkların ışıkla olan ilişkisini, dolayısıyla da rengini belirlemektedir. Atomik ya da moleküler haldeki durumun aksine metal nano parçacıklar yüzey plazmon rezonanslarından dolayı yüksek soğurma ve saçma bandına sahiptirler. Boyutları 2 nm civarında olan çok küçük parçacıklarda saçılma soğurmanın yanında ihmal edilebilecek düzeyde iken, 1 µm civarındaki büyük parçacıklarda soğurma saçılmanın yanında ihmal edilebilecek düzeyde kalmaktadır. Yüzey plazmon

(29)

16

rezonansı dalga boyu, nano parçacık boyutu, şekli ve türleri değiştirilerek ayarlanabilmektedir (Çağlayan 2014).

Lazer ışınının malzeme üzerindeki çapına bağlı olarak üretilen nano parçacıkların soğurma grafikleri sigma-aldrich firmasının üretim sonuçlarına göre yaptıkları analiz çalışmalarından elde edilmiş ve ve grafik şekil 3.2’de verilmektedir .

Şekil 3.2 Işığın madde içerisindeki doğrusal soğurması (http://www.sigmaaldrich.com 2018a)

Görüldüğü gibi çap arttıkça tepe dalga boyu daha uzun dalga boylarına doğru kaymış ve genişlemiştir. 80 nm’den daha büyük çaplarda, ikinci zirve birinci zirveden daha kısa bir dalga boyunda görünür hale gelmiştir. Pik dalga boyu, pik genişliği ve ikincil rezonansların etkisi nano parçacıkların boyut ve şekli hakkında bilgi verir. Buna ek olarak UV-VIS spektroskopisi kullanılarak nano parçacıkların zaman içindeki değişimi incelenir.

Gümüş nano parçacıkların topaklanma durumu olduğunda, bu sistem bireysel parçacıklardan farklı bir SPR’ye sahiptir. Çok parçacıklı olması durumunda, plazmon rezonansı tek bir nano parçacığın rezonansından daha uzun dalga boyuna (kırmızı) kayabilir. Bu durumda kızılötesi bölgede yoğunluk artışı gözlenebilir. Şekil 3.3’te tuzlu su ilavesi ile karıştırılan gümüş nano parçacık çözeltisinin optik tepkisi görülmektedir (http://www.sigmaaldrich.com 2018a).

(30)

17

Şekil 3.3 Tuzlu su ilavesi ile kararsızlaştırılan gümüş nano parçacık çözeltisinin optik tepkisi (http://www.sigmaaldrich.com 2018a)

Sonuç olarak gümüş nano parçacıkların UV-VIS spektrum grafiği nano parçacıklarda topaklanma olup olmadığının bilgisini de vermektedir. Bu da gümüş nano parçacıklarla yapılan deneysel çalışmalar için oldukça önem taşımakta ve malzeme tayini için kolaylık sağlamaktadır.

Literatürde yüksek şiddetli lazer ışınları sebebiyle zarar gören optik algılayıcılar ve insan gözünü korumaya yönelik olarak çalışmalar yapılmıştır. Nano parçacıklar bu amaç için kullanılabilecek önemli malzeme gruplarından birisidir. Yapı ve büyüklüklerine bağlı olarak optik özellikleri değişebilmektedir. Bunu test edebilmek için farklı boyutlarda ve şekillerde üretilmiş olan gümüş nano parçacıklar ile çalışmalar yapılmıştır (Ong vd. 2004, Hajiesmaeilbaigi vd. 2005, Eberle vd. 2012, Muller vd.

2013).

Eberle vd. (2012), doğrusal olmayan geçirgenlik ve saçılma mekanizmalarını anlamak için gümüş nano parçacıklar üzerine çalışmışlardır. Deneylerinde 532 nm ve 1064 nm dalga boylu darbeli lazerleri kullanmışlar ve sonuçları incelemişlerdir. Kullanılan lazerin darbe genişliği 3 ns ve tekrarlama frekansı 3 Hz’dir. 532 nm için ölçülen demet çapı 4 µm iken, 1064 nm için bu değer 8 µm’dir. Deneyde farklı akı değerleri için açısal saçılma dağılımı incelenmiştir. Optik sınırlama eşik değerinin dalga boyundan bağımsız

(31)

18

olduğu gözlemlenmiş ve en iyi sonuçlara nano parçacık şeklinin küresel olduğu durumda ulaşılmıştır.

Muller vd. (2013), yaptıkları çalışmada farklı boyut ve şekillerdeki gümüş nano parçacıkların optik sınırlama üzerindeki etkisini araştırmışlar ve sonuçları CBS (carbon black suspension) ile karşılaştırmışlardır. Deneylerde Nd: YAG lazeri kullanılmıştır.

Çalışma sonucunda küçük nano parçacık boyutlarında sınırlama etkisinin yüksek olduğu görülmüştür.

Ong vd. (2004), optik sınırlayıcı malzeme olarak yine gümüş nano parçacıkları seçmişlerdir. Lazer aşındırma tekniğiyle gümüş nano parçacık üretmişler ve optik sınırlama özelliklerine hem solüsyon hem de film üzerinde bakmışlardır. Deneylerde 532 nm Nd: YAG lazeri kullanılmıştır. Seçilen lazerin darbe genişliği 7 ns, tekrarlama frekansı 7 Hz’ dir. Ortalama güç değeri 15.6 mj olup, aşındırma tekniği sırasında kullanılan çap değeri 1.5 mm’dir. Gümüş plaka üzerine 25 mm odak uzunluklu bir mercek ile ışın demeti odaklanmıştır. Solüsyon olarak 2.5 mM sodyum bis (2-etil hekzil) sülfosüksinat kullanılmıştır. Film için saf su yerine 10 mL THF kullanılmıştır.

Solüsyon ve film sonuçları karşılaştırıldığında, solüsyondaki nano parçacık sayısı daha fazla olduğundan optik sınırlama performansının daha fazla olduğu gözlemlenmiştir .

Hajiesmaeilbaigi vd. (2005), lazer aşındırma ve fragmentasyon tekniklerini kullanarak gümüş nano parçacık üretimiyle ilgili çalışma yapmışlardır. Darbeli Nd:YAG lazer sistemi kullanılmış olup, lazerin tekrarlama frekansı 5 Hz ve darbe genişliği 20 ns’dir.

Dalga boyu olarak 1064 nm ve 532 nm lazer kaynakları kullanılmıştır. Solüsyon olarak herhangi bir kimyasal kullanılmamış, saf su ile deneyler yapılmıştır. Sonuçlara UV-VIS spektrometresi ve TEM ölçüm cihazıyla bakılmıştır. Üretilen nano parçacıkların ortalama boyutu 8.5 nm civarındadır. Deneyde akı ve süre etkisi çalışılmıştır. Hem 532 nm hem de 1064 nm dalga boylu lazer ışık kaynağında üretilen nano parçacıklara bakıldığında parçacık boyutuna bağlı olarak dalga boyunda kayma gözlemlenmiştir .

Boutinguiza vd. (2015), CW ve darbeli lazer kullanılmasının gümüş nano parçacık üretimine etkilerini araştırmışlardır. Nano parçacıkların özellikleri XRD, TEM ve

(32)

19

HRTEM elektron mikroskobu ve UV/VIS spektrometresiyle incelenmiştir. Sonucunda CW lazer kaynağı kullanıldığı durumda üretilen nano parçacık boyutunun daha büyük olduğu bulunmuştur.

Gümüş nano parçacıklar ile yapılan çalışmalar incelendiğinde üretim için çoğunlukla lazer aşındırma metodudun tercih edildiği gözlemlenmiştir. Hem bu nedenle, hem de laboratuvar imkanlarımız bu üretim yöntemine elverişli olduğu için bu tez çalışmasında gümüş nano parçacık üretimi için lazer aşındırma tekniği seçilmiştir.

3.2 Lazer Aşındırma Tekniği ile Gümüş Nano parçacık Üretimi

Nano parçacıkların üretilmesinde farklı yöntemler kullanılmaktadır. Bunlar gaz faz yoğunlaşma metodu, lazer aşındırma metodu, kimyasal buhar yoğunlaştırma metodu ve mekanik alaşımlama metodudur.

Sıvı içerisine yerleştirilen metal plaka üzerine darbeli ya da sürekli lazer kaynağı kullanılarak yapılan lazer aşındırma tekniği, nano parçacık üretiminde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu teknik kolay ve hızlı üretim olanağı sağlayabilmektedir. Bu sayede baz metal, yarı iletken, manyetik nano parçacıklar ile alaşım halinde veya çekirdek- kabuk şeklinde olan nano yapılar üretilebilmektedir.

Lazer aşındırma tekniği ile ilgili ilk denemeler 1963 yılının başlarında başlamış olsa da, 1990’ların ortalarına doğru nano malzemeleri sentezlemek için lazer aşındırma yöntemi asıl olarak kullanılmaya başlanmıştır (http://www.understandingnano.com 2007). Lazer aşındırma terimi yoğun lazer darbesi ile yüzeyde oluşturulan dengesiz buhar/plazma koşullarını vurgulamak için kullanılır. Lazer aşındırmanın ilk denemelerine ait şematik gösterim Şekil 3.4’de verilmiştir.

(33)

20

Şekil 3.4 Lazer aşındırma denemelerine ait şematik gösterim (http.//www.understanding nano.com 2007)

Deneyde darbeli lazer (CO2 lazer, Nd-YAG lazer, ArF ya da XeCl lazer) ve vakum odası olmak üzere 2 temel kısım bulunmaktadır. Lazer ışınının yüksek gücü, hedefin yüzeyinde büyük ışık emilimine neden olur ve malzemenin sıcaklığı artar. Hedefin yüzeyindeki malzeme buharlaşır ve buharlaşan malzemeler kimyasal reaksiyon olmaksızın kümelenir ve parçacık halinde yoğunlaşır. Bazı durumlarda buharlaşan malzeme yeni malzemeler oluşturabilmek üzere sisteme verilen reaktanlarla reaksiyona girer. Yoğunlaştırılmış parçacık ya bir alt kademe üzerine biriktirilir ya da bir cam elyaf ağından oluşan bir filtre sistemi ile toplanır. Ardından toplanan nano partikül, damla kaplama (drop-coating) ya da baskı (screen-printing) yöntemi ile kaplanabilir (http://www.understandingnano.com 2007).

Lazer aşındırma tekniği, lazer kaynağının numune üzerine odaklanması neticesinde yüzeyle etkileşmeye giren fotonların yüzeyden nano parçacık sökme işlemidir. Lazer aşındırma süreci Şekil 3.5’de gösterilmiştir.

(34)

21

Şekil 3.5 Lazer aşındırma süreci

Lazer aşındırma süreci tek veya çok fotonla uyarılma işlemiyle başlamaktadır. Bu enerji ani bir şekilde ısıya dönüşmektedir. Isıdaki artış malzemenin sahip olduğu optik özellikleri ve soğurulan lazer gücünü değiştirmektedir. Malzemede ısı artışı erimeye ya da aşındırmaya sebep olmaktadır. Malzeme yüzeyine gelen foton enerjisi yeterince büyükse, bu durum bağ kırılmasına neden olabilir, bunun sonucunda da atom, molekül ya da parçalar yüzeyden sökülebilir. Düşük akı değerlerinde malzeme lazer enerjisi ile ısıtılır, buharlaştırılır ya da süblimleştirilir. Yüksek akı değerlerinde ise plazma oluşumu sağlanır.

Lazer-malzeme etkileşimi temelde iki yöntemle açıklanabilir. Bunlar, sürekli ışıma ile malzeme işleme ve kısa darbeli lazerlerle malzeme işlemedir. Sürekli ışıma ile malzeme işleme sırasında amaç malzemenin ısıtılması ya da eritilmesidir. Diğer yöntemde ise anlık olarak oluşturulan çok yüksek güçler sayesinde malzemenin eritilerek ya da parçalanarak değil plazma ortamının oluşturularak moleküler bağların kopması temeline dayanır. Oluşturulan plazma yapıları hedef materyale, ortamın özelliklerine ve lazer koşullarına bağlıdır.

Farklı lazer çeşitleri için lazer-malzeme etkileşimi şekil 3.6’de gösterilmiştir.

Şekil 3.6 Lazer-malzeme etkileşimi

(35)

22

Soldan sağa doğru sürekli dalga (CW), nano saniye (ns) ve piko/femto saniye lazerlerini göstermektedir. Şekilde gözülen siyah bölge ısıdan etkilenmiş alanı göstermektedir.

Mavi çizgiler ise lazer darbesi ile yaratılan şok dalgalarını göstermektedir. CW lazer kaynaklarında ısıdan etkilenmiş alan fazlayken, ns lazerlerinde bu bölge daha azalmaktadır. Fs ve ps lazerlerinde ise malzeme yüzeyden buharlaşma yoluyla uzaklaştırılmaktadır.

Yuan vd. (2005), gümüş nano parçacıkların üretimi için lazer aşındırma tekniğini kullanmışlardır. Deneyde solüsyon olarak saf su kullanılmıştır. Gümüş nano parçacıkların su kullanılarak lazer aşındırma tekniğiyle üretilmesi sırasında nano parçacıkların topaklandığı görülmüştür. Kristallerin ve topaklanan gümüş nano parçacıkların kararlılığının Ag2O ve Ag’ye bağlı olarak farklılık gösterdiği belirtilmiştir.

Lazer aşındırma tekniği ile nano parçacık üretiminin en önemli parametrelerinden birisi lazerin örnek üzerindeki akısının belirlenmesidir. Bunun için de odaklanan Gauss demetinin odak çapının belirlenmesi gerekmektedir. Gauss demetinin özellikleri ve demet çapının ölçülme yöntemi aşağıda özetlenmiştir.

3.2.1 Gauss profiline sahip ışın demeti

Z doğrultusunda ilerleyen Gauss dalga aşağıdaki denklem kullanılarak tanımlanır.

0 i(kz-ωt) ,

Burada verilen , dalganın elektrik alan genliği, karmaşık yarıçap, ışın demetinin en küçük çapa sahip olduğu mesafe ve Rayleigh aralığı olarak verilir.

Enerji dağılımındaki mesafesinde ve Rayleigh aralığındaki spot büyüklüğü:

√ ,

(36)

23

ifadesiyle verilir. Dalga cephesinin eğrilik yarıçapı ;

ifadesiyle verilir. Faz faktörü;

ifadesiyle verilir. Bu durumda z=0 noktasında Gauss dalga en dar spot çapına sahip olmaktadır. Bu da şekilde gösterilen ’a karşılık gelir. noktasından uzaklaştıkça ışın hiperbolik şekilde dağılır (Şekil 3.7).

Şekil 3.7 Işının noktasından sonraki hiperbolik dağılımı (https://commons.

wikimedia.org 2009a)

Gauss profiline sahip dalganın temel moduna göre lazer ışını yarıçapı 1/e güç noktasında göre hesaplanabilmektedir. Burada e=2.71828 değerine eşittir. Bu durumda 1/e ışın çapı değeri, lazer ışınının toplamdaki enerjisinin % 63’ünü içermektedir.

yarıçapındaki enerji dağılımı aşağıdaki denklemle verilir. Gauss profiline sahip dalga için çapı ışının toplam enerjisinin % 86.5’ini içermektedir (Şekil 3.8).

(37)

24

Şekil 3.8 Gauss profiline sahip dalganın normalize yarıçap-bağıl şiddet grafiği (https://www.rp-photonics.com 2009b)

Sapma açısı:

ifadesiyle tanımlanır. ’ın bulunduğu noktada dalga cephesi, sonsuz bir eğrilik yarıçapına sahiptir. ’dan uzaklaştıkça dalga cephesi kavisli olmaya başlar. Rayleigh aralığı değerinin sabit kaldığı mesafe olarak tanımlanır (http://massey.dur.ac.uk 2012).

Akı değeri:

(J/cm2)= (lazer darbe enerjisi (J)) / etkili odak noktası alanı (cm2)

= π ifadesiyle tanımlanır.

3.2.2 Demet genişliği ve knife-edge (bıçak kenarı) ölçümü

Gauss profiline sahip bir dalganın z doğrultusunda ilerlediği durumda dağılım profili:

(38)

25

ifadesiyle verilir. Buradaki ve ışın demetinin x ve y doğrultusundaki yarıçap değerleridir. ise tepe yoğunluğunu verir. Işın demetinin toplam gücü:

ifadesiyle verilir. Demet yarıçapı Knife-Edge (bıçak kenarı) tekniği ile ölçülür. Bıçak kenarı ölçüm tekniğinin şematik gösterimi şekil 3.9’de gösterilmektedir.

Şekil 3.9 Knife-edge ölçüm tekniği (http://massey.dur.ac.uk 2012)

Bu teknikte kullanılan bıçağın x-ekseninde (Şekil 3.9) hareket ettirildiği düşünülürse, geçen güç:

√ ∫

√ *∫

+

√ *√ ∫ +

√ ∫

(39)

26

ifadesiyle verilir. Denklemde eşitliğini kullanırsak, √ olur.

İntegral sınırlarını değiştirilirse,

= √ ∫

=

olur. Hata fonksiyonunun standart tanımı kullanılırsa toplam güç:

* (√ )+

ifadesiyle verilir. Data fit edilirse denklem:

* (√

)+

halini alır. Burada P1 gücü, P3 Gauss demetin 1/e2 yarıçapını gösterir. Aradaki ± işareti bıçağın ± yönündeki hareketine göre değişmektedir.

Öncelikle bıçak konulmadığı zamanki toplam güç (% 100) dedektör kullanılarak ölçülür. Daha sonra bıçak çıkış gücünü % 10 ve % 90 kesecek şekilde ayarlanır ve bu pozisyonlar X10 ve X90 olarak kaydedilir. Aradaki mesafe X10-X90 olarak verilir. Gücün

% 10 olduğu durumda denklem:

* (√

)+

ifadesiyle gösterilir. Denklem düzenlenirse:

(√

)

halini alır. Gauss olasılığı kullanılırsa denklem:

(40)

27

İfadesiyle gösterilir. Standart olasılık tablosu kullanılırsa denklem:

halini alır. Gauss fonksiyonun simetrik dağılımından dolayı bulunan denklem 2 ile çarpılarak ışın demeti çapı:

olarak bulunur. Benzer bir hesaplama X80 ve X20 için de yapılabilmektedir ancak % 90-

% 10 metodu hata fonksiyounun azami değişme bölgesinin sınırlarında kaldığı için bu noktalar kullanılmaktadır (http://massey.dur.ac.uk 2012).

(41)

28

4. DENEYLER ve KULLANILAN EKİPMANLAR

4.1 Deneylerde Kullanılan Ekipmanlar

Tez çalışması için kullanılan ekipmanlar, UV-VIS spektrometresi, lazer kaynağı, motorlu kızak, algılayıcı, boxcar, osiloskop ve z-tarama düzeneğidir.

4.1.1 UV-VIS spektrometresi

Madde ile ışın arasındaki etkileşmeyi incelemede soğurma spektrometresi kullanılmaktadır. Spektrometre, bir örnekteki atom, molekül ya da iyonların enerji geçişleri sırasında soğurulan ya da yayılan elektromanyetik ışımanın ölçülmesi ve yorumlanmasıdır.

Maddenin ışığı soğurmasını incelemek için kullanılan düzeneğe “soğurma spektrometresi” denir. Spektrometrenin temel bileşenleri ışık kaynağı, dalga boyu seçici, örnek kabı ve algılayıcıdır. Bu tür spektrometrelerde UV ve görünür ışık kaynakları kullanılır. 100-400 nm arasında UV, 400-800 nm arasında görünür ışık kaynağı kullanılır. Işık kayağından çıkan ışık, yarıktan geçer ve demet bölücüye gelir.

Burada ışık iki parçaya bölünür. Referans ve örnek küvetlerine ayrı ayrı gönderilir.

Küvetlerden çıkıp algılayıcıya gelen ışığın şiddeti ile elde edilen veriler dalga boyuna göre soğurma spektrum grafiğini verir.

Şekil 4.1 UV-VIS soğurma spektrometresi

(42)

29 4.1.2 Lazer kaynağı

Malzemelerin doğrusal olmayan optik özeliklerini incelemek için nano saniye, piko saniye, femto saniye gibi bir lazer kaynağına ihtiyaç duyulmaktadır. Lazer aşındırma tekniğiyle gümüş nano parçacık elde etme ve sonuçların z-tarama test deneyinde yorumlanabilmesi için tezin amacına uygun olarak nano saniye lazer kaynağı tercih edilmiştir. Kullanılan lazerin dalga boyu 532 nm, çıkış gücü 2 W, tekrarlama frekansı 10 Hz ve atım süresi 4 ns’dir.

Şekil 4.2 Lazer kaynağı 4.1.3 Motorlu kızak

Z-tarama deneyi, yatay bir düzlemde örneğin hareket ettirilerek konuma bağlı şiddet değişimi karşısında malzemenin gösterdiği doğrusal olmayan tepkiyi incelemeye olanak sağlayan bir tekniktir. Bu hareketin yatay konumda kullanılabilmesine sağlayan mekanizma motorlu kızaktır. Kullanılan cihazın adım aralığı 1µm’dir. İncelenecek olan örnek düzeneğe yerleştirilir ve yatay (z) eksen boyunca hareket ettirilmesi kızak sayesinde sağlanmış olur. Mikrometre hassasiyetinde olan bu düzlemin hareketi bilgisayar kontrollü olarak gerçekleşebilmektedir. Bir ara yüz kartı sayesinde programda belirtilen süre ve uzunlukta hareket ettirilip sinyalin algılanması ve bu hareketi belirlenen sayıda tekrar etmesi sağlanmaktadır.

(43)

30

Şekil 4.3 Motorlu kızak

4.1.4 Algılayıcılar

Yüksek şiddetteki lazer ışınına maruz bırakılan saydam malzemeden geçen bir lazer demetinin içerdiği bilgileri algılamak için silikon algılayıcılar kullanılmaktadır. Silikon algılayıcılar yüksek tepki süresine (14 ns) sahip olup üzerine düşen fotonları algılayarak elektriksel bilgiyi analog olarak Boxcar ismi verilen arayüze gönderir. Z-tarama deney düzeneğinde kullanılan algılayıcının doyuma ulaşmaması için, düzenekte kullanılan güç değerine bağlı olarak soğurucu nd (neutral density) filtrelerin kullanılmasına ihtiyaç duyulmaktadır.

Şekil 4.4 Silikon dedektör (https://www.thorlabs.com 2017a)

Kullanılan algılayıcının dalga boyuna bağlı tepkisellik grafiği şekil 4.5’ verilmektedir.

DET36A dedektörü, 1000 nm civarında maksimum tepkiselliğe sahiptir.

(44)

31

Şekil 4.5 DET36A dedektörünün dalga boyuna bağlı tepkisellik grafiği (https://www.thorlabs.com 2017b)

4.1.5 Boxcar

Algılayıcıdan alınan analog sinyaller Boxcar isimli sisteme gönderilir. Boxcar’ın Z- tarama deneyindeki temel görevi algılayıcıdan gelen analog sinyali lazerden tetiklenerek belirlenen zaman aralığında alıp, gürültüyü azaltmak için ortalamasını aldıktan sonra dijital sinyale çevirerek bir ara yüzle bilgisayar ortamına aktarmaktır.

Şekil 4.6 Boxcar 4.1.6 Osiloskop

500 MHz’lik osiloskop, algılayıcıya gelen sinyali gözlemlemeye yarar. Aynı zamanda algılayıcıya gelen sinyallerin genliğinin kontrolü ve algılayıcının doyuma ulaşıp ulaşmadığı da osiloskop yardımıyla yapılmaktadır.

(45)

32

Şekil 4.7 Osiloskop ile gözlenen lazer ışını ve oluşturulan kare kapı sinyali

4.1.7 Optik bileşenler

Z-tarama deneyinde kullanılan lazer demeti doğrudan malzeme üzerine gönderilmez, bunun nedeni lazer kaynağından çıkan demetin gücünün yüksek olmasıdır. Lazer demetinin doğrudan gönderilmesi durumunda malzeme zarar görüp, kullanılamaz hale gelebilir. Malzemeyi incelemek için yüksek güçteki lazer ışınını yeterli olan bir güce indirmek amaçlanır. Bunun için de ışın demeti gücünü azaltacak prizmalar ve soğurucu ND filtreler kullanılır. Hem z-tarama deney düzeneğinde hem de lazer aşındırma tekniğinde kullanılan prizmalar ve ND filtreler sayesinde hem güç azaltılabilir hem de uygun geometride optik yol ortamı oluşturulup, ayarlanabilir mekanizmalar sayesinde hizalama yapılabilir.

Kullanılan ND filtrelerin geçirgenlik oranları kullanılmak istenilen güce bağlı olarak arttırılıp, azaltılabilmektedir.

(46)

33

Şekil 4.8 Soğurucu ND filtreler

Optik yolun yönlendirilebilmesi için ise deney düzeneğinde aynalara ihtiyaç duyulmaktadır. Sistemde kullanılan lazerin dalga boyu 532 nm olduğundan aynaların yansıtıcılıkları bu dalga boyunda en fazla olmalıdır. Aksi halde lazer kaynağından istenilen verim elde edilemez, aynalar yansıtmadığı oranda gücü soğurur bu da aynaların zarar görmesine neden olabilir. Bu nedenle seçilen aynaların yansıtıcılık değerleri ≥ % 99.5 mertebesindedir. Sistemde kullanılan aynaların özellikleri çizelge 4.1’de verilmiştir.

Çizelge 4.1 532 nm Nd:YAG lazer aynasının özellikleri

(https://www.edmundoptics.com/optics/optical-mirrors/laser -line- mirror/#specs)

Malzemesi Fused Silika

Geliş Açısı (derece) 45

Çap (mm) 25

Kalınlık (mm) 6

Tasarım dalga boyu (nm) 532

Yansıtıcılık Rabs ≥ % 99.8 (510-560 nm) Hasar eşik değeri

(darbeli lazer kaynağı için)

20 J/cm2 @20 ns

(47)

34

Z-tarama test düzeneği kullanılırken örneğe gelen lazer ışın demetinin örnek üzerine odaklanması gerekmektedir. Bunun için ince kenarlı mercekler kullanılır. Z-tarama deney düzeneğinde kullanılan ince kenarlı merceğin odak uzunluğu 200 mm’dir.

Aynaların tersine kullanılan ince kenarlı merceklerin geçirgenliğinin maksimum düzeyde olması istendiğinden merceğin her iki yüzeyinde de kullanılan dalga boyuna uygun geri yansıtmayı önleyici kaplamaların olması tercih edilmiştir. Bu sayede amaç geçirgenliği arttırabilmektir.

4.2 Deneyler

4.2.1 Lazer aşındırma yöntemi ile nano parçacık üretimi

Bu tez kapsamında kullanılan ve laboratuvarımızda kurduğumuz lazer aşındırma düzeneği şekil 4.9’da verilmiştir.

Şekil 4.9 Lazer aşındırma tekniği test düzeneği Gümüş

plaka ve üretilen AgNP solüsyonu

Lazer Odaklayıcı Mercek

(48)

35

Amaç odaklayıcı merceğe gelen lazer ışınını, metal plaka üzerinde odaklayarak nano parçacık üretilebilmesini sağlamaktır. Sıvı içerisine yerleştirilen gümüş plaka konumunun tayin edilebilmesi için Bölüm 3.2.2’de anlatılan bıçak kenarı yöntemi kullanılmıştır.

Lazerin malzeme üzerinde etki ettiği derinlik ve yüzeyden koparılan malzeme miktarı, lazer darbesine, akı, güç, malzemenin optik özelliklerine, dalga boyuna, lazerin odaktaki çapına , süreye ve darbe genişliğine bağlıdır. Tez kapsamında akı ve süre etkisine bağlı olarak optik sınırlama değişimi üzerine çalışılmıştır.

Lazer aşındırma yöntemi metal yüzeyinden malzemenin kontrollü bir şekilde çıkartılması temeline dayanır. Bu nedenle uygulanması basit ve maliyeti uygun bir yöntemdir. Uygulama alanına bağlı olarak darbeli ya da sürekli lazer kaynağı kullanılabilir. Laboratuvar ortamındaki olanakların kullanılabilmesi için gümüş nano parçacık üretilmesi sırasında darbeli lazer kaynağı kullanılmıştır. Bu sayede malzeme üzerinde küçük ve derin delikler açılabilmiş ve nano parçacık üretimi gerçekleştirilebilmiştir.

Lazer aşındırma tekniğiyle gümüş nano parçacık üretimi sırasında üç farklı akı değeri uygulanmıştır. Bunlar 477 J/cm2, 637 J/cm2 ve 796 J/cm2’dir. Her bir akı değeri için de 1 ve 1.5 saat olmak üzere farklı sürelerde üretim yapılmıştır. Amaç değişen akı ve süre değerine bağlı olarak malzemede oluşan sınırlama etkisini tayin edebilmektir.

4.2.2 Demet yarıçapının ve demet akısının ölçülmesi

Demet akısının ölçülebilmesi için hem lazer aşındırma tekniğinde gümüş plaka üzerine düşen hem de z-tarama deney düzeneğinde örnek üzerine düşen lazer demetinin odak çapının bilinmesi gerekmektedir.

Lazer aşındırma tekniğinde kullanılan bıçak kenarı test düzeneği Şekil 4.10’da gösterilmektedir.

Figure

Updating...

References

Related subjects :